什么是5G和5G网络

发布时间:2019-04-09 10:40    浏览:210

什么是5G和5G网络

这一切,要从一个“神奇的公式”说起,一个神奇的公式,就是这个公式。

这是物理学的基本公式,光速=波长×频率。

就是这个超简单的公式,蕴含了博大精深的通信技术奥秘。

无论是往事随风的1G、2G、3G,还是意气风发的4G、5G,说来说去,都是在这个数学公式上做文章。

有线or无线?不如毫米波!

通信技术,无论什么黑科技白科技,归根到底,只分两种——有线通信和无线通信。

我和你打电话,信息数据要么在空中传播(看不见、摸不着),要么在实物上传播(看得见、摸得着)。

如果是在实体物质上传播,就是有线通信,基本上就是用的铜线、光纤这些线缆,统称为有线介质。

在有线介质上传播数据,速率可以达到很高的数值。

以光纤为例,在实验室中,单条光纤最大速度已达到了26Tbps。。。是传统网线的两万六千倍。

而空中传播这部分,才是移动通信的瓶颈所在。

所以,5G重点是研究无线这部分的瓶颈突破。

目前主流的移动通信标准,是4G LTE,理论速率只有150Mbps(不包括载波聚合)。这个和有线是完全没办 法相比的。

所以,5G如果要实现端到端的高速率,重点是突破无线这部分的瓶颈。

同时无线通信就是利用电磁波进行通信。电波和光波,都属于电磁波。

电磁波的频率资源有限。电磁波的功能特性,是由它的频率决定的。不同频率的电磁波,有不同的属性特 点,从而有不同的用途。

例如,高频的γ射线,具有很大的杀伤力,可以用来治疗肿瘤。

我们目前主要使用电波进行通信。当然,光波通信也在崛起,例如可见光通信LiFi(LightFidelity)

电波属于电磁波的一种,它的频率资源是有限的。为了避免干扰和冲突,我们在电波这条公路上进一步划 分车道,分配给不同的对象和用途。

▼不同频率电波的用途

请大家注意上面图中的红色字体。一直以来,我们主要是用中频~超高频进行手机通信的。

例如经常说的“GSM900”、“CDMA800”,其实意思就是指,工作频段在900MHz的GSM,和工作频段在 800MHz的CDMA。

目前全球主流的4G LTE技术标准,属于特高频和超高频。我们国家主要使用超高频:

大家能看出来,随着1G、2G、3G、4G的发展,使用的电波频率是越来越高的。

这是为什么呢?这主要是因为,频率越高,能使用的频率资源越丰富。频率资源越丰富,能实现的传输速 率就越高。

更高的频率→更多的资源→更快的速度

应该不难理解吧?频率资源就像车厢,越高的频率,车厢越多,相同时间内能装载的信息就越多。

那么,5G使用的频率具体是多少呢?如下图所示:

5G的频率范围,分为两种:一种是6GHz以下,这个和目前我们的2/3/4G差别不算太大。还有一种,就很高 了,在24GHz以上。

我国工信部在2017年就已下发通知,明确了我国的5G初始中频频段为:3.3-3.6GHz、4.8-5GHz两个频段。 同时,24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在征集意见。

目前,国际上主要使用28GHz进行试验(这个频段也有可能成为5G最先商用的频段)。

如果按28GHz来算,根据前文我们提到的公式:

这个就是5G的第一个技术特点——毫米波

既然,频率高这么好,你一定会问:“为什么以前我们不用高频率呢?”原因很简单 ——不是不想用,是用不起。

电磁波的显著特点:频率越高,波长越短,越趋近于直线传播(绕射能力越差)。频率越高,在传播介质 中的衰减也越大。

你看激光笔(波长635nm左右),射出的光是直的吧,挡住了就过不去了。再看卫星通信和GPS导航(波长 1cm左右),如果有遮挡物,就没信号了吧。

卫星那口大锅,必须校准瞄着卫星的方向,否则哪怕稍微歪一点,都会影响信号质量。

移动通信如果用了高频段,那么它最大的问题,就是传输距离大幅缩短,覆盖能力大幅减弱。

覆盖同一个区域,5G需要的基站数量将大大超过4G。

基站数量意味着什么?钱啊!投资啊!成本啊!

频率越低,网络建设就越省钱,竞争起来就越有利。这就是为什么,这些年,电信、移动、联通为了低频 段而争得头破血流。有的频段甚至被称为——黄金频段。

这也是为什么,5G时代,运营商拼命怼设备商,希望基站降价。(如果真的上5G,按以往的模式,设备商 就发大财了。)所以,基于以上原因,在高频率的前提下,为了减轻网络建设方面的成本压力,5G必须寻找新 的出路。

基站新选择,首先就是微基站。

基站有两种,微基站和宏基站。看名字就知道,微基站很小,宏基站很大!

宏基站:室外常见,建一个覆盖一大片 ▼

以后更多的将是微基站,到处都装,随处可见。

▼微基站:看上去是不是很酷炫?还有更小的,巴掌那么大!

其实,微基站现在就有不少,尤其是城区和室内,经常能看到。以后,到了5G时代,微基站会更多,到处 都会装上,几乎随处可见。

你肯定会问,那么多基站在身边,会不会对人体造成影响?我的回答是——不会。

其实,和传统认知恰好相反,事实上,基站数量越多,辐射反而越小!

你想一下,冬天,一群人的房子里,一个大功率取暖器好,还是几个小功率取暖器好?

大功率方案▼

小功率方案▼

上面的图,一目了然了。基站小,功率低,对大家都好。如果只采用一个大基站,离得近,辐射大,离得 远,没信号,反而不好。

基站越小巧,数量越多,覆盖就越好,速度就越快。

天线也变毫米级

大家有没有发现,以前大哥大都有很长的天线,早期的手机也有突出来的小天线,为什么现在我们的手机 都没有天线了?

其实,我们并不是不需要天线,而是我们的天线变小了。根据天线特性,天线长度应与波长成正比,大约 在1/10~1/4之间。

频率越高,波长越短,天线也就跟着变短啦!

毫米波,天线也变成毫米级。

这就意味着,天线完全可以塞进手机的里面,甚至可以塞很多根。

这就是5G的第三大杀手锏——Massive MIMO(多天线技术)

MIMO就是“多进多出”(Multiple-Input Multiple-Output),多根天线发送,多根天线接收 。

在LTE时代就已经有MIMO了,5G继续发扬光大,变成了加强版的Massive MIMO(Massive:大规模的,大量 的)。

手机都能塞好多根,基站就更不用说了。。。

▼以前的基站,天线就那么几根。。。

5G时代,就不是按根来算了,是按“阵”。。。“天线阵列”。。。

▼天线多得排成阵了。。。一眼看去一大片的节奏。。。

不过,天线之间的距离也不能太近。因为天线特性要求,多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长 以上。如果距离近了,就会互相干扰,影响信号的收发。

你是直的?还是弯的?

大家都见过灯泡发光吧? 

其实,基站发射信号的时候,就有点像灯泡发光。

信号是向四周发射的,对于光,当然是照亮整个房间,如果只是想照亮某个区域或物体,那么,大部分的 光都浪费了。。。

基站也是一样,大量的能量和资源都浪费了。我们能不能找到一只无形的手,把散开的光束缚起来呢?这 样既节约了能量,也保证了要照亮的区域有足够的光。

答案是:可以。

这就是——波束赋形

在基站上布设天线阵列,通过对射频信号相位的控制,使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄,并 指向它所提供服务的手机,而且能跟据手机的移动而转变方向。

这种空间复用技术,由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务,波束之间不会干扰,在相同的空间中提供 更多的通信链路,极大地提高基站的服务容量。

直的都能掰成弯的。还有什么是通信砖家干不出来的?

方便快捷的D2D

在目前的通信网络中,即使是两个人面对面拨打对方的手机(或手机对传照片),信号都是通过基站进行 中转的,包括控制信令和数据包。 

而在5G时代,这种情况就不一定了。

5G的第五大特点——D2D,也就是Device to Device(设备到设备)。

5G时代,同一基站下的两个用户,如果互相进行通信,他们的数据将不再通过基站转发,而是直接手机到 手机。

这样,就节约了大量的空中资源,也减轻了基站的压力。

不过,如果你觉得这样就不用付钱,那你就错了。控制消息还是要从基站走的,而且用着频谱资源,运营 商怎么可能放过你。

需要换手机吗?

这大概是很多人都好奇的问题,但不好意思,恐怕是的。

什么是5G网络

5G网络是第五代移动通信网络,其峰值理论传输速度可达每秒数10Gb,比4G网络的传输速度快数百倍。举 例来说,一部1G的电影可在8秒之内下载完成。

随着5G技术的诞生,用智能终端分享3D电影、游戏以及超高画质(UHD)节目的时代正向我们走来。

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